基于MSP430單片機的小氣候采集系統(tǒng)

韓 劍，張浩平，萬青苗

（南京林業(yè)大學研究生院電子信息工程系，江蘇南京 210037）

1 系統(tǒng)總體設計

基本電路由MSP430F149單片機驅動外圍的傳感器設備，土壤溫濕度傳感器（5TM）、空氣溫濕度傳感器（SHT11）、光強度傳感器（S1087）分別負責采集土壤溫濕度、空氣溫濕度和光強度，可根據(jù)預設時間對數(shù)據(jù)進行存儲，并可通過存儲集中傳輸?shù)哪Ｊ接缮漕l傳輸模塊進行數(shù)據(jù)的遠距離的傳輸。由于所采用的傳感器響應時間短，可作為便攜式手持設備使用，從而大大提高測量速度，提高測量效率。

2 硬件部分

溫濕度傳感器SHT11:SHT11傳感器是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器。它應用專業(yè)的工業(yè)CMOS過程微加工技術，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性和卓越長期的穩(wěn)定性。測濕精度 ±3.0［%RH］，測溫精度 ±0.4［℃］在25℃。傳感器包含一個電容式聚合體測濕原件和一個隙式測溫原件并與一個14位的A/D轉換器以及串行接口電路在同一芯片上實現(xiàn)無縫連接。此產(chǎn)品具有超快響應，抗干擾能力強，性價比高等優(yōu)點，每個SHT11傳感器都在極為精確的濕度校驗試中進行校準。數(shù)字信號的整個傳輸過程由CRC-8校驗，任何錯誤數(shù)據(jù)將被檢測到并清除。SCK接P1.4口，為串行時鐘輸入引腳，用于微MCU與SHT11之間的通訊同步。SDL接P1.5口，用于數(shù)據(jù)的讀取，在SCK時鐘下降沿之后改變狀態(tài)，并僅在SCK時鐘上升沿有效。

5TM土壤溫濕度傳感器:利用水分是決定土壤介電常數(shù)的主要因素這一特點，通過測量土壤的介電常數(shù)并通過公式來精確得出土壤的真實濕度，另外為了更加準確地反應所測對象的濕度，5TM對國際上慣用的經(jīng)典算法進行了改進，提供了面向不同測量對象的算法供用戶調用，從而大幅地提高了所測量數(shù)據(jù)的準確性。靜態(tài)工作電流0.3mA，測量電流10mA，測量時間150ms，保證了設備快速測量和低功耗的特性。工作頻率70MHz，測量時OUT接P5.1口，向單片機傳送數(shù)據(jù)，VCC和GND分別接電源端和地端。測量濕度托普方程精度為±0.03m/m（±3%VWC），采用修正后的方程精度可達（±1% ～2%VWC）。溫度測量在-40℃ ～50℃時分辨率0.1℃，精度可達±1℃。

托普方程:VWC=4.3 ×10-6ε3a-5.5 ×10-4ε2a+2.92×10-2εa-5.3 ×10-2

轉換公式:VWC=2.25×10-5ε3a-2.06×10-3ε2a+7.24×10-2εa-0.247

硅光電池:硅光電池S1133是一種直接把光能轉換成電能的半導體器件。它的結構很簡單，核心部分是一個大面積的PN結，當二極管的管芯（PN結）受到光照時，由光生伏特效應產(chǎn)生回路電流。由于硅光電池的PN結面積比二極管的PN結大得多，所以受到光照時產(chǎn)生的電動勢和電流也大得多。利用光伏效應可以將光強度的變化量通過電流變化的線性關系反映出來，再通過放大電路將信號進行放大，依據(jù)他們之間的線性關系測得光強度［1］。

K9F1G08U1A外部存儲芯片:由于單片機的存儲資源有限，為了能有效地存儲大量的數(shù)據(jù)，此處使用了Samsung公司推出的K9F1G08U1A外部存儲器件來擴展設備的存儲容量。NAND FLASH芯片具有ROM存儲器的特點，在斷電的情況下仍可以長時間保存數(shù)據(jù)。電源電壓2.7V～3.6V，與MSP430F149一 致，低 功 耗，容 量 可 達 128M ×8Bit，K9F1G08U0M芯片提供了一根狀態(tài)指示信號線R/B接P4.5，該信號為低電平時，表示FLASH可能正處于編程、擦除或讀操作狀態(tài);為高電平時，則表示為準備好狀態(tài)。NAND FLASH存儲器將數(shù)據(jù)線與地址線復用為8條線，另外還提供了命令控制信號線。因此，NAND FLASH存儲器不會因為存儲容量的增加而增加引腳數(shù)目。本系統(tǒng)中，K9F1G08U0M的數(shù)據(jù)輸入輸出口與單片機的P 2端口相連。片選信號與單片機的P 2.4相連，CLE（命令鎖存控制端）、ALE（地址鎖存控制端）、RE（讀操作控制端）、WE（寫操作控制端）分別通過控制單片機P4.1、P4.2、P4.3、P4.4引腳的電平，決定對FLASH進行控制字操作、地址操作、寫操作還是讀操作。在此不須使用寫保護功能，所以接高電平［2］。

無線傳輸模塊:為了便于各傳感器間相互通信，系統(tǒng)外接了nRF905射頻模塊，NewMsg-RF905模塊使用Nordic公司的nRF905芯片開發(fā)而成，該模塊通信距離可達1km，便于組建大范圍的無線網(wǎng)絡。工作頻率433/868/915M，最大輸出功率20dbm，傳輸速率0.128～256kbps。節(jié)電模式時工作電流為2.5μA。

圖1 無線傳輸模塊

MSP430F149單片機簡介:MSP430F149單片機是美國德州儀器公司推出的16位超低功耗單片機，端口P1-P6都可以使用位尋址方式，P1和P2口所有8個位都具有外部中斷處理、輸入/輸出、外部模塊功能。這些功能都可以通過它們各自的7個控制寄存器的設置來實現(xiàn)，P3、P4、P5和P6沒有中斷能力，豐富的端口使其可以連接多個外圍設備，60kB的FLASH和2kB的RAM使程序的編寫具有更高的靈活性，等待方式工作電流為0.7μA，RAM保持的節(jié)電方式工作電流為0.1μA，4kHz模式時工作電壓為2.2V，電流為3μA，1MHz模式時工作電壓為2.2V，電流為160μA。特有的低功耗和喚醒模式使單片機的能耗更低。內部采用I2C通信模式減少電路間的連線，減小了電路板的尺寸，另外內部集成了看門狗、時鐘模塊、定時器、液晶驅動模塊、硬件乘法器、模數(shù)/數(shù)模轉換模塊，極大地豐富了單片機的功能，所以MSP430單片機被廣泛用于工業(yè)控制、智能化的儀器儀表計算機外部設備等高端領域［3］。

圖2 設備結構圖

3 通信部分

3.1 系統(tǒng)自檢測

由于本系統(tǒng)需要長期在野外獨立工作，系統(tǒng)內加入了自檢測程序。開機后系統(tǒng)進行自檢測，如檢測不通過設備會自動復位，通過后進入初始化。判斷是否有按鍵輸入，如沒有則根據(jù)所設定的時間進行信息采集和存儲，結束后系統(tǒng)再次進行自檢測，通過后系統(tǒng)進入休眠模式。按鍵輸入可喚醒系統(tǒng)采集實時信息并顯示，結束后系統(tǒng)再次進行自檢測。通過多次的系統(tǒng)自檢測保證系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性［5］。

3.2 數(shù)據(jù)傳輸

3.2.1 發(fā)送流程分如下幾步

（1）當微控制器有數(shù)據(jù)要發(fā)送時，通過SPI接口，按時序把接收機的地址和需要發(fā)送的數(shù)據(jù)傳送給RF950，SPI接口的速率在通信協(xié)議和期間配置時確定;

（2）控制器置高TRX_CE和 TX_EN，激發(fā) RF905的ShockburstTM發(fā)送模式;

（3）RF905的ShockburstTM發(fā)送:

●射頻寄存器自動開啟;

●數(shù)據(jù)打包（加字頭和CRC效驗碼）;

●發(fā)送數(shù)據(jù)包;

●當數(shù)據(jù)發(fā)送完成，數(shù)據(jù)準備好引腳被置高;

（4）AUTO_RETRAN被置高，RF905不斷重發(fā)，直到TRX_CE被置低;

（5）當TRX_CE被置低，RF905發(fā)送過程完成，自動進入空閑模式。

數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖如圖3。

圖3 數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖

3.2.2 數(shù)據(jù)接收流程

（1）當 TRX_CE為高、TX_EN為底時，RF905進入ShockburstTM接收模式;

（2）650us后，RF905不斷監(jiān)測，等待接收數(shù)據(jù);

（3）當RF905檢測到同一頻段的載波時，載波檢測引腳被置高;

（4）當接收到一個相匹配的地址，AM引腳被置高;

（5）當一個正確的數(shù)據(jù)包接收完畢，RF905自動移去字頭、地址和CRC校驗位，然后把DR引腳置高;

（6）微控制器把TRX_CE置低，RF905進入空閑模式;

（7）微控制器通過SPI口，以一定的速率把數(shù)據(jù)移動到微控制器內;

（8）當所有的數(shù)據(jù)接收完畢，RF905把DR引腳和AM引腳置低;

（9）RF905此時可以進入ShockburstTM接收模式、ShockburstTM發(fā)送模式或關機模式。數(shù)據(jù)接收流程圖如圖4。

4 結論

基于單片機和傳感器網(wǎng)絡技術，開發(fā)了用于農(nóng)業(yè)環(huán)境信息采集與傳輸裝置。經(jīng)實驗檢測，本系統(tǒng)能準確測量作物的生長環(huán)境，并對農(nóng)田小氣候進行模擬，實現(xiàn)了可靠的生長環(huán)境信息采集系統(tǒng)，對水稻等農(nóng)作物的生長環(huán)境實現(xiàn)系統(tǒng)的監(jiān)控，具有重要的實踐意義。作為手持設備使用時由于傳感器具有優(yōu)良的特性，保證了測量的精度，極大地提高了測量效率，有很強的實用價值。

圖4 數(shù)據(jù)接收流程圖

［1］孟立凡，藍金輝.傳感器原理與應用［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2011.

［2］桑野雅彥.存儲器IC的應用技巧［M］.北京:科學出版社，2006.

［3］沈建華，楊艷琴，翟驍曙.MSP430系列16位超低功耗單片機原理與應用［M］.北京:清華大學出版社，2004.11.

［4］熊迎軍，沈明霞，孫玉文，等.農(nóng)田圖像采集與無線傳輸系統(tǒng)設計［J］.農(nóng)業(yè)機械學報，2011，42（3）:184-187.

［5］馮健昭，肖德琴，可欣榮，等.稻田水分傳感器網(wǎng)絡節(jié)點設計與實現(xiàn)［J］.計算機研究與發(fā)展2010，47（增刊）:5-8.